DE4022159C2 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Stufenfluiddruckes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stufenfluiddruckes mit einem luftangetriebenen Druckverstärkungs­ zylinder des Typs, der einen Stößeldruckaufbringer anfäng­ lich mit einem relativen niedrigen hydraulischen Ölbetriebs­ druck und anschließend mit einem zweiten höheren und endgül­ tigen Betriebsdruck beliefert, wobei der erste niedrigere Druck dazu verwendet wird, einen Stößel, an dem ein Werkzeug z. B. ein Stempel befestigt ist, vorzurücken, um ihn mit einem Werkstück in Kontakt zu bringen, und wobei der zweite höhere Druck dazu verwendet wird, den Stößel anzutreiben, um die eigentliche Arbeit an dem Werkstück auszuführen, die das Lochen des Werkstückes durch den Stempel sein kann.

Druckverstärkungszylinder, die zwei verschiedene Druckstufen liefern, sind aus der US-PS 42 71 671 bekannt. Bei der aus diesem Patent bekannten Anordnung bewegt sich ein vom primären Luftdruck bewegter erster Kolben in der Arbeits­ hubrichtung weiter, nachdem der Stößel anfänglich bewegt wurde, um ein Werkstück zu berühren, durch die Einrichtung eines Druckablasses vorbei an einem zweiten Kolben, der unmittelbar mechanisch von dem ersten Kolben betätigt wird und durch Aufbringen von Druck auf das Ölmedium, das auf den Stößel als solchen wirkt. Bei einer vorbestimmten Stellung in der Arbeitshubrichtung wird der Druckablaß geschlossen und ein erhöhter Druck, der von einem dritten Kolben erzeugt wird, der auch mechanisch von dem ersten Kolben betätigt wird, auf das Ölmedium aufgebracht, um den Stößel anzutrei­ ben, so daß er seine abschließende Arbeitsaufgabe durch­ führt.

Ein Nachteil des oben beschriebenen vorbekannten Zylinders ist die Tatsache, daß der erhöhte Druck eher an einem festen Punkt im Arbeitshub als an einem Punkt, der verändert werden könnte, aufgebracht wird. Ein weiterer Nachteil des vor­ bekannten Zylinders besteht darin, daß die Dauer eines Arbeitszykluses fest ist und nur durch mechanisches Ver­ ändern der Parameter der Bauteile des Druckverstärkungs­ systems geändert werden kann.

Die US-PS 43 00 351 offenbart einen Druckverstärkungszylin­ der, bei dem ein erster luftangetriebener Kolben einen Federdruck auf einen schwimmenden Kolben aufbringt, der in direktem Kontakt mit einem Ölmedium ist, kraft dessen Druck auf eine einen Stößel betätigende Kolben-Zylinderanordnung aufgebracht wird. Der Anfangsteil des Hubes läuft bei einem durch die Feder aufgebrachten Niederdruck ab, der mit der Entfernung zunimmt, die von dem ersten luftangetriebenen Kolben zurückgelegt wird. Bei einem vorbestimmten Punkt in der Arbeitshubrichtung wird ein von dem ersten Kolben direkt betriebener dritter Kolben wirksam, um einen erhöhten Öl­ druck auf den den Stößel betätigenden Kolben aufzubringen, wodurch die endgültige Arbeitsaufgabe, wie das Stanzen eines Werkstückes, durchgeführt wird.

Auch die US-PS 4 249 380 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stufenfluiddruckes in zwei Phasen. Die erste Phase des Zylinders geht bis zu einem vorbestimmten Punkt und bei Erreichen dieses Punktes wird automatisch die zweite Phase eingeleitet. Dieser Punkt ist aber von der konstruktiven Ausgestaltung des Zylinders abhängig und kann nicht automa­ tisch verändert werden.

Eine Firmenschrift von Bosch: Kraftübersetzer hydro-pneuma­ tisch Powmatic; Juni 1980, beschreibt einen Druckverstär­ kungszylinder mit teilweiser Ölfüllung. Dieser Zylinder arbeitet mit einem zweiphasigen Arbeitshub: Einer ersten Phase, bei der ein langer Weg mit kleiner Kraft und großer Geschwindigkeit zurückgelegt wird und einer zweiten Phase, bei der ein kurzer Weg mit großer Kraft und kleiner Ge­ schwindigkeit zurückgelegt wird. Diese zweite Phase stellt sich an beliebiger Stelle des gesamten Hubbereichs selb­ ständig ein, sobald ein Widerstand auftritt. Nachteilig ist, daß nur genau an diesem Punkt des Arbeitshubes, an dem der Stößel auf einen Widerstand trifft, sich die zweite Phase des Arbeitshubes einstellt. Die Dauer der zwei Phasen des Arbeitshubes ist vom Aufbau des Zylinders und vom Abstand zwischen Stößel und Widerstand abhängig und ist nur durch mechanisches Verändern dieser Parameter zu ändern. Es ist daher nicht möglich, z. B. kurz vor dem Auftreffen des Stößels auf das Werkstück auf den langsamen Hub umzustellen, um das Werkstück durch das schnelle Auftreffen des Stößels nicht zu beschädigen.

Bei allen diesen bekannten Druckverstärkungszylindern ist der Betriebszyklus durch feste Parameter oder äußere Um­ stände festgelegt und kann nicht beliebig automatisch ge­ ändert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Luft-zu-Öl- Druckverstärkungszylinder zu schaffen, der eine Wahl zwischen einer gesteuerten Zyklusdauer und einem zeitlich automatisch bestimmten Betriebszyklus zuläßt. Ferner soll ein Luft-zu-Öl-Druckverstärkungszylinder ge­ schaffen werden, der einfach und wirtschaftlich herzustellen ist, wobei eine minimale Anzahl von Teilen und Federn ver­ wendet wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen detaillierten Querschnitt des erfin­ dungsgemäßen Zylinders, dessen Teile in der Ruhestellung oder am Anfangspunkt eines Arbeitszykluses gezeigt sind, der natürlich auch dem Endpunkt eines Arbeitszykluses ent­ spricht,

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Zylinder im anfäng­ lichen Niederdruckteil seines Arbeitszykluses,

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Zylinder im endgültigen Hochdruckbetriebsteil des Arbeitszykluses,

Fig. 4 ein vergrößertes Einzelteil eines Kolbens mit einem mit Öffnungen versehenen Ventilsystems, das betreibbar ist, um den Zylinder als solchen zwischen den Nieder- und Hochdruckbetriebsteilen des Arbeitszykluses des Zylinders umzuschalten, und

Fig. 5 einen Querschnitt des in Fig. 4 gezeigten Kolbens.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Zylinders am Anfangspunkt seines Arbeitshubes. Der Zylinder umfaßt ein hohles zylindrisches Gehäuse 1, das eine mit einer zentralen Öffnung versehene Trennwand 2 und drei primäre Drucköffnungen 9, 10 und 11 aufweist, denen Luftdruck durch eine Ventileinrichtung, die nicht dargestellt ist, zuführbar ist, wobei die Ventile mechanisch oder elektrisch gesteuert werden können, um an diesen Öffnungen Luftdruck anzulegen oder freizugeben.

Im oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 1 ist ein erster schwim­ mender Kolben 6 vorgesehen, der mit einer oder mehreren Druckdichtungen 6s ausgerüstet ist. Der Kolben 6 kann sich frei in der axialen Richtung des Gehäuses 1 z. B. zwischen den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Stellungen bewegen. Ein zweiter schwimmender Kolben 7, der auch in dem oberen Teil des Gehäuses 1 angeordnet ist, kann sich zwischen einer begrenzten oberen Stellung und der Trennwand 2 frei bewegen. Die genaue Ausbildung des Stößelkolbens 8 wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 näher beschrieben.

Ein Stößelkolben 8, der mit Druckdichtungen 8s versehen ist, ist in den unteren Teil des Gehäuses 1 unter der Trennwand 2 eingebaut. Der Stößelkolben 8 ist mit einem betätigbaren Stößel­ teil 5 in Form einer zylindrischen Stange versehen, die sich durch eine Öffnung in der unteren Wand 4 des Gehäuses 1 aus dem Gehäuse 1 heraus erstreckt. Die Öffnung ist mit Dichtungs­ ringen 4s versehen. Der Stößelkolben 8 und der Stößel 5 sind zylindrisch und axial ausgehöhlt, um ein hohles zylindri­ sches Teil 12 unterzubringen, so daß es sich abwärts dort hineinbewegen kann. Das hohle zylindrische Teil 12 hat Endflansche 12a und 12b, wobei der Flansch 12b das obere Ende des Teiles 12 in dem unteren Teil des zweiten Kolbens 7 mit einem solchen Spiel festhält, daß es sich zwischen den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Grenzstellungen bewegen kann, während der untere Flansch 12a die Entfernung des hohlen zylindrischen Teiles 12 nach oben aus der Öffnung in der Trennwand 2 verhindert. Als geeignete Dich­ tungen für das hohle zylindrische Teil 12 sind die Dichtung 12s in dem oberen Teil des hohlen zylindrischen Teiles 12 und die Dichtung 2s in der Trennwand 2 vorgesehen. Der Innenraum des Gehäuses 1 zwischen den schwim­ menden Kolben 6 und 7 und die Innenräume des hohlen zylindrischen Teiles 12 und des Stößelteiles 5 sind mit einem Ölmedium, d. h. Hydraulik­ öl, gefüllt.

Mittels der Öffnungen 9, 10 und 11 kann Primärfluid (Luft)- Druck der Oberseite des ersten Kolbens 6 und den Unterseiten der Kolben 7 und 8 jeweils zugeführt werden.

Es wird nun auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen, welche die Ausbildung des zweiten Kolbens 7 und des hohlen zylindrischen Teiles 12 näher zeigen. Der zweite Kolben 7 hat eine Abdeckplatte 7a, die an dem Hauptteil des zweiten Kolbens 7 mittels Kopfschrauben 14 befestigt ist. Die Abdeckplatte hat eine Anzahl Öffnungen 7b, die kreisförmig um einen zentral angeordneten nach unten ragenden zylin­ drischen Stopfen 17 angeordnet sind, der so bemessen ist, daß er in das obere Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12 eintreten kann, um die Verbindung, die normalerweise für das Ölmedium vorgese­ hen ist, zwischen der Kammer über dem zweiten Kolben 7 und dem Innenraum des hohlen zylindrischen Teiles 12 dicht abzuschließen. Wie am besten in Fig. 1 zu sehen ist, ist das hohle zylindrische Teil 12 durch den Kontakt seines unteren Flansches mit der Unterseite der Trennwand 2 und seines oberen Flansches mit der im zweiten Kolben 7 vorgesehenen Schulter wirksam, um, wie deutlich in Fig. 5 zu sehen ist, die Bewegung des zweiten Kolbens 7 nach oben zu begrenzen. Eine Feder 13 ist vorgesehen, um bei der Abdichtung des oberen Endes des hohlen zylindrischen Teiles 12 beizutragen, wobei die Abdichtung zu Beginn des Hochdruckteiles des Arbeitszykluses stattfindet.

Arbeitsweise des Verstärkungszylinders

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Zylinders wird nun mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben. Fig. 1 zeigt die Stellung der Kolben und der anderen Bauteile im Ruhezustand oder am Ende des Rückkehrhubes des Arbeits­ zykluses. Während des Betriebes und an dieser Stelle des Arbeitszykluses ist die Öffnung 9 offen und wird primärer Luftdruck den Öffnungen 10 und 11, wie durch die Pfeile angezeigt, und den Unterseiten der Kolben 7 und 8 zugeführt. Dieser Luftdruck bewirkt, daß das Stößelteil 5 und die schwim­ menden Kolben 7 und 8 in ihre Ausgangsstellungen zurück­ kehren. Bei der Rückkehr in diese Stellung zieht der zweite Kolben 7 das hohle zylindrische Teil 12 aufgrund des oberen Flanschanschlusses 12b und der zusammenwirkenden Schulter, die in dem zweiten Kolben 7 vor­ gesehen ist, mit sich nach oben. Der untere Flansch 12a an dem hohlen zylindrischen Teil 12 begrenzt die Aufwärtsbewegung des Kolbens 7 und entfernt gleichzeitig den Vorsprung 17 von dem oberen Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12, so daß die Verbindung zwischen der Oberseite des Stößelkolbens 8 und der Unterseite des ersten Kolbens 6 hergestellt ist. Der Stößelkolben 8 bewegt sich weiter nach oben und drängt das Öl-medium in den Raum zwischen die Kolben 6 und 7, so daß der erste Kolben 6 gezwungen wird, in seine oberste oder Ausgangsstellung zurückzukehren.

Fig. 2 zeigt einen Zwischenpunkt im Arbeitszyklus, wobei primärer Luftdruck, wie durch die Pfeile angezeigt, an die Öffnungen 9 und 10 angelegt wird. Der über die Öffnung 9 auf den ersten Kolben 6 aufgebrachte Druck wirkt so, daß der erste Kolben 6 nach unten bewegt wird, während der auf die Unterseite des zweiten Kolbens 7 aufgebrachte Druck und die Reibung der Dichtungs­ ringe 7s ausreichend sind, um eine Abwärtsbewegung des zweiten Kolbens 7 zu verhindern. Der Druckunterschied quer über den zweiten Kolben 7 ist aufgrund der Dicke der Wand des hohlen zylindrischen Teiles 12 in der Abwärtsstoßrichtung etwas größer aber nicht ausreichend, um die Reibung der Dichtungsringe 7s zu über­ winden. Der volle Druck auf das Ölmedium, der durch den ersten Kolben 6 bereitgestellt wird, zwingt aber den Stößelkolben 8 nach unten, bis das Stößelteil 5 ein Werkstück berührt, das nicht gezeigt ist.

In diesem Punkt des Zykluses, wird, wie aus Fig. 3 her­ vorgeht, der primäre Druck von der Öffnung 10 weggenommen und wirkt nun der Druck auf das Ölmedium, um den zweiten Kolben 7 nach unten zu bewegen und mit Hilfe der Feder 13 das obere Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12 abzudichten. Die Feder 13 wird vorzugs­ weise vorgesehen und dazu verwendet, eine gute Abdichtung des hohlen zylindrischen Teiles 12 sicherzustellen, da anfänglich kein Gegendruck an dem hohlen zylindrischen Teil 12, zur Unterstützung der Abdichtung vorhanden ist.

In diesem Punkt des Zykluses wird der volle primäre Luft­ druck über das Ölmedium zwischen den Kolben 6 und 7 auf den zweiten Kolben 7 aufgebracht und es tritt eine Erhöhung des auf den Stößelkolben 8 aufgebrachten Druckes aufgrund der Tatsache ein, daß der durch den zweiten Kolben 7 bereitgestellte volle Druck auf die von dem hohlen zylindrischen Teil 12 umringte viel kleinere Fläche aufge­ bracht wird, die in bezug auf die volle Fläche des zweiten Kolbens 7 so gewählt ist, daß, wenn das hohle zylindrische Teil 12 abgedichtet ist, ein Stanz- oder anderer Vorgang an dem Werkstück ausgeführt werden kann.

Am Ende der Arbeitsaufgabe der Zylinderramme wird primärer Luftdruck an den Öffnungen 10 und 11 angelegt, um die Kolben 7 und 8 nach oben zu bewegen. Die untere Schulter an dem hohlen zylindrischen Teil 12 bewirkt nun, daß die Aufwärtsbewegung dieses Teiles begrenzt wird, so daß die fortgesetzte Bewegung des zweiten Kolbens 7 in der Aufwärtsrichtung den Vorsprung 17 aus dem oberen Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12 entfernt, so daß der Stößelkolben 8 Öl in den Raum zwischen den Kolben 6 und 7 zurückführen kann und die Kolben 6 und 8 voll in ihre ursprünglichen Ausgangs­ stellungen, wie in Fig. 1 gezeigt, zurückkehren können. Die Aufwärtsbewegung des zweiten Kolbens 7 setzt sich fort, bis die Feder 13 zusammengedrückt ist. Die Feder 13 ist aber selbst nicht ausreichend stark, um die von den entsprechenden Dichtungen erzeugte Reibung zu überwinden, um den Vorsprung 17 des zweiten Kolbens 7 in das obere Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12 zurückzu­ bringen, um eine Dichtung zu schaffen, wenn der primäre Luftdruck von den Öffnungen 10 und 11 weggenommen wird.

Aufgrund der Tatsache, daß das hohle zylindrische Teil 12 nicht mechanisch mit dem Stößelkolben 8 verbunden ist, kann sich dieser Kolben über die von dem unteren Teil des Gehäuses gewährte volle Länge während des Anfangsteiles des Arbeitszykluses bewegen und ist der erste Kolben 6 auch frei, sich bezüglich des zweiten Kolbens 7 mit dem Ergebnis zu bewegen, daß eine größere Änderung in der Dicke der Werkstücke berücksichtigt werden kann, wenn genügend Zeit im anfänglichen Niederdruckteil des Arbeits­ hubzykluses gewährt wird, bevor der primäre Luftdruck von der Öffnung 10 weggenommen wird, um dem zweiten Kolben 7 zu gestat­ ten, sich zu bewegen, um das obere Ende des hohlen zylindrischen Teiles 12 ab­ zudichten und den Hochdruckteil des Zykluses auszulösen. Die Dauer eines vollständigen Zykluses kann durch die zeitliche Festlegung der Aufbringung und der Wegnahme des primären Luftdruckes von den Öffnungen 9, 10 und 11 gesteuert werden, wie nun deutlich wird. Beispielsweise kann der Hochdruckteil des Arbeitszykluses durch eine elektrische Schaltereinrich­ tung ausgelöst werden, die betätigbar ist, wenn das Stößelteil 5 ein Werkstück berührt, so daß Veränderungen in der Werk­ stückdicke automatisch berücksichtigt werden.

Es sollte berücksichtigt werden, daß die Zeichnungen verein­ facht wurden, um das Verstehen einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung zu erleichtern, und daß Einzelheiten in der Konstruktion verändert und festgelegt werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzurücken. Beispiels­ weise kann das Gehäuse in Teilen hergestellt werden, um den Zusammenbau des vollständigen Arbeitszylinders zu erleich­ tern. Außerdem ist es nicht wesentlich, daß der Stößelkolben 8 koaxial zu den Kolben 6 und 7 ist, d. h., daß der Druck in dem unteren Teil des Gehäuses durch eine Rohrleitung einem entfernt angeordneten Zylinder zugeführt werden kann, der einen Stößel betätigt. Ferner können Teile wie die Flansche für das hohle zylindrische Teil 12 in Form von Schraubenmuttern sein, die auf die Enden dieses Teiles 12 aufgeschraubt sind, wobei die Enden mit einem geeigneten Gewinde versehen sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Stufenfluiddruckes, mit einer geschlossenen ersten schwimmenden Kolben-Zylinder- Einheit (1, 6), einer Einrichtung (9) zum Aufbringen eines unter Druck stehenden primären Fluids auf eine Seite des ersten schwimmenden Kolbens (6), dessen andere Seite von einem Arbeitsfluid benetzt wird, das unter Druck zu setzen ist, einer zweiten schwimmenden Kolben-Zylinder-Einheit (1, 7), von der eine Seite des Kolbens (7) in Fluidverbindung mit dem unter Druck zu setzenden Arbeitsfluid steht, einer Einrichtung (10) zum Zuführen von unter Druck stehendem Primärfluid an die andere Seite des Kolbens (7) der zweiten Einheit (1, 7) und einer Arbeitsfluiddruckkammer, in der ein hoher Druck im Arbeitsfluid erzeugt wird, wodurch eine hohen Fluiddruck benötigende Arbeitsaufgabe durchgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) der zweiten Einheit (1, 7) mit einer Fluidbypassöffnung (7b) versehen ist, eine zweiteilige Ventileinrichtung (12, 17) für die Fluidbypassöffnung (7b) vorgesehen ist, von der ein Teil (17) mit ihr beweglich ist und das andere Teil von einem hohlen zylindrischen Leitungsteil (12) gebildet ist, und die Fluidbypassöffnung (7b) für das Arbeitsfluid durch die Einrichtung (10) zum Zuführen von unter Druck stehendem Primärfluid an die andere Seite des Kolbens (7) der zweiten Einheit (1, 7) offengehalten wird, so daß das Arbeitsfluid durch die Fluidbypassöffnung (7b) und durch das hohle zylin­ drische Leitungsteil (12) zu der Arbeitsfluiddruckkammer hindurchtreten kann, wobei das hohle zylindrische Leitungs­ teil (12) beim Schließen der Öffnung (7b) in dem schwimmen­ den Kolben (7) der zweiten Einheit (1, 7) betätigt wird, um mit dem Kolben (7) der zweiten Einheit (1, 7) im Einklang sich zu bewegen, um den hohen Druck in dem Arbeitsfluid in der Arbeitsfluiddruckkammer zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle zylindrische Teil (12) durch eine abgedichtete Öffnung in die geschlossene Arbeitsfluiddruckkammer geführt ist und bezüglich des zweiten Zylinders (7) abgedichtet ist, um eine Arbeitsfluidverbindung zwischen dem Arbeitsfluidraum zwischen dem ersten (6) und zweiten (7) Kolben und der von dem ersten schwimmenden Kolben (6) entfernten Seite des zweiten schwimmenden Kolbens (7) zu verhindern.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federteil (13) vorgesehen ist, um beim Schließen der Ventileinrichtung (12, 17) mit­ zuhelfen, wenn der primäre Fluiddruck von dem zweiten schwimmenden Kolben (7) weggenommen wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfluiddruckkammer eine schwimmende Kolben-Stößel-Anordnung (5, 8) beinhaltet, die von dem Arbeitsfluid angetrieben wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem geschlossenen zylin­ drischen Gehäuse (1), das erste und zweite axial voneinander beabstandete Kammern, die durch eine Trennwand (2) vonein­ ander getrennt sind, aufweist, die axial voneinander be­ abstandeten ersten und zweiten schwimmenden Kolben (6, 7) in der ersten Kammer angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsaufgabe durch einen einen Stößel (5) betäti­ genden Kolben (8) ausgeführt wird, der in der zweiten Kammer untergebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (10, 11) vorgesehen ist, um einen primären Fluidmediumdruck auf den Stößel (5) und den zweiten schwimmenden Kolben (7) aufzubringen, um das Arbeitsfluid von der zweiten Kammer zurück in den Raum zwischen dem ersten (6) und zweiten (7) schwimmenden Kolben zu zwingen.